JP2010223599A

JP2010223599A - 機能素子

Info

Publication number: JP2010223599A
Application number: JP2009068218A
Authority: JP
Inventors: Yuki Higashide; 祐樹東出
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】シリコン基板とガラス基板との間の接合強度を高める。
【解決手段】加速度センサ１を、ガラス基板３が表面に取付けられたシリコン基板２を用いて形成する。シリコン基板２には、固定部４、可動部５および支持梁６を形成すると共に、可動部５等を取囲んで第１，第２の封止枠１１，１３を形成する。そして、第１の封止枠１１とガラス基板３との間には、陽極接合によって接合された陽極接合部１２を形成する。一方、第２の封止枠１３とガラス基板３との間には、陽極接合時の静電力を用いて接合膜１５，１６が加圧接合された加圧接合部１７を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば角速度、加速度等の検出や各種の信号処理を行う機能素子部を備えた機能素子に関する。

一般に、機能素子として、角速度センサ、加速度センサ、メカニカルフィルタ等のように、マイクロマシニング技術を用いてシリコン基板等を加工したＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子が知られている。また、他の機能素子として、シリコン基板上に圧電膜を形成したＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタ等も知られている（例えば、特許文献１参照）。このような機能素子では、角速度、加速度等の検出や各種の信号処理を行う機能素子部を備えると共に、該機能素子部の特性や信頼性を確保するために、該機能素子部を気密封止している。

特開２００８−１０５１６２号公報

ところで、従来技術による機能素子では、シリコン、アルミニウム等の材料とガラス基板とを陽極接合することによって、機能素子部を気密封止している。しかし、陽極接合だけでは十分な接合強度が得られないことがあり、接合不良が生じて機能素子部周囲の気密性が損なわれる虞れがある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、シリコン基板とガラス基板との間の接合強度を高めることができる機能素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、機能素子部と、第１の接合部と、第２の接合部とを有してなるシリコン基板と、該シリコン基板の表面に対向して設けられたガラス基板とを備え、該ガラス基板と前記シリコン基板とによって前記機能素子部を封止した機能素子であって、前記第１の接合部と前記ガラス基板とを陽極接合した陽極接合部と、該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部と前記ガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した加圧接合部とを設けたことを特徴としている。

請求項２の発明は、機能素子部と、第１の接合部と、第２の接合部とを有してなるシリコン基板と、該シリコン基板の裏面および表面にそれぞれ対向して設けられた第１，第２のガラス基板とを備え、該第１，第２のガラス基板と前記シリコン基板とによって前記機能素子部を封止した機能素子であって、前記第１の接合部の裏面と前記第１のガラス基板とを陽極接合した裏面側の陽極接合部と、該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部の裏面と前記第１のガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した裏面側の加圧接合部と、前記第１の接合部の表面と前記第２のガラス基板とを陽極接合した表面側の陽極接合部と、該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部の表面と前記第２のガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した表面側の加圧接合部とを設けたことを特徴としている。

請求項３の発明では、前記第１，第２の接合部は、前記機能素子部を取囲む枠形状に形成すると共に、前記第２の接合部を第１の接合部よりも前記機能素子部に近い位置に配置している。

請求項１の発明によれば、シリコン基板の第１，第２の接合部とガラス基板との間には陽極接合部と加圧接合部とを設けたから、シリコン基板とガラス基板とを陽極接合部および加圧接合部によって強固に接合することができ、接合強度を高めることができる。また、陽極接合を行うときには、シリコン基板とガラス基板とを相互に引き付ける大きな静電力が接着圧力として作用する。このため、この静電力を用いてシリコン基板側の接合用金属とガラス基板側の接合用金属とを密着させることができるから、別途に加圧手段を用いることなく、これら２つの接合用金属を圧着することができる。

請求項２の発明によれば、シリコン基板の第１，第２の接合部の裏面と第１のガラス基板との間には裏面側の陽極接合部と裏面側の加圧接合部とを設け、シリコン基板の第１，第２の接合部の表面と第２のガラス基板との間には表面側の陽極接合部と表面側の加圧接合部とを設ける構成とした。このため、シリコン基板と第１，第２のガラス基板とを陽極接合部および加圧接合部によってそれぞれ強固に接合することができ、接合強度を高めることができる。また、陽極接合を行うときには、シリコン基板と第１，第２のガラス基板とを相互に引き付ける大きな静電力が接着圧力として作用する。このため、この静電力を用いてシリコン基板側の接合用金属と第１，第２のガラス基板側の接合用金属とを密着させることができるから、別途に加圧手段を用いることなく、これら２つの接合用金属を圧着することができる。

請求項３の発明によれば、第１，第２の接合部はいずれも機能素子部を取囲む枠形状に形成したから、二重枠構造をなす２つの接合部によって機能素子部の周囲を確実に気密状態で封止することができる。また、加圧接合する第２の接合部は、陽極接合する第１の接合部よりも機能素子部に近い位置に配置した。このため、第１の接合部を陽極接合するときにガラス基板中のナトリウムが析出されたときでも、加圧接合する第２の接合部によってナトリウムが機能素子部の周囲に侵入するのを阻止することができる。これにより、機能素子部の劣化を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態による加速度センサを示す分解斜視図である。図１中の加速度センサを示す縦断面図である。加速度センサを図２中の矢示III−III方向からみた断面図である。固定電極形成工程によりシリコン基板に固定電極等を形成した状態を示す図２と同様位置の縦断面図である。犠牲層形成工程によりシリコン基板に犠牲層を形成した状態を示す縦断面図である。シリコン層形成工程によりシリコン基板の表面にシリコン層を形成した状態を示す縦断面図である。機能素子部形成工程によりシリコン層を加工して固定部、可動部、支持梁および第１，第２の封止枠を形成した状態を示す縦断面図である。犠牲層除去工程によりシリコン基板から犠牲層を除去した状態を示す縦断面図である。ガラス基板形成工程によりガラス基板に凹陥部等を形成した状態を示す縦断面図である。ガラス基板接合工程によりガラス基板とシリコン基板とを陽極接合と同時に加圧接合する状態を示す縦断面図である。本発明の第２の実施の形態による加速度センサを示す分解斜視図である。図１１中の加速度センサを示す縦断面図である。第１のガラス基板形成工程によりガラス基板に第１の固定電極等を形成した状態を示す図１２と同様位置の縦断面図である。シリコン基板形成工程によりシリコン基板の裏面に接合用金属等を形成した状態を示す縦断面図である。第１のガラス基板接合工程により第１のガラス基板とシリコン基板とを陽極接合と同時に加圧接合する状態を示す縦断面図である。機能素子部形成工程によりシリコン基板を加工して固定部、可動部、支持梁および第１，第２の封止枠を形成した状態を示す縦断面図である。第２のガラス基板形成工程によりガラス基板に第２の固定電極等を形成した状態を示す縦断面図である。第２のガラス基板接合工程により第２のガラス基板とシリコン基板とを陽極接合と同時に加圧接合する状態を示す縦断面図である。変形例による加速度センサを示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による機能素子として加速度センサを例に挙げて、添付図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１ないし図１０は第１の実施の形態を示している。図において、加速度センサ１は、シリコン基板２とガラス基板３とによって形成されている。ここで、シリコン基板２およびガラス基板３は、いずれも数ミリ程度の大きさの四角形状に形成され、互いに直交する３軸方向をＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸としたときに、例えばＸ軸およびＹ軸に沿って水平方向に広がっている。

また、シリコン基板２は、例えば高抵抗な単結晶シリコンからなる基底部２Ａと、該基底部２Ａの表面に形成された低抵抗な多結晶シリコンからなる表層部２Ｂとを備えている。ここで、基底部２Ａの表面には、略四角形に窪んだ凹陥部２Ｃが形成されている。一方、表層部２Ｂには、マイクロマシニング技術を用いて後述する固定部４、可動部５、支持梁６および第１，第２の封止枠１１，１３が形成されている。そして、固定部４、可動部５および支持梁６は、加速度を検出する機能素子部を構成している。

一方、ガラス基板３は、例えば絶縁性を有するガラス材料等によって形成されると共に、シリコン基板２と対向する裏面側に略四角形に窪んだ凹陥部３Ａが形成されている。そして、シリコン基板２とガラス基板３との間には、凹陥部２Ｃ，３Ａと対応した位置に後述の可動部５を収容する収容空間Ｓが画成されている。

固定部４は、シリコン基板２のうち凹陥部２Ｃの外側で、かつガラス基板３の凹陥部３Ａの内側に位置して、基底部２Ａの表面に固定されている。このため、固定部４とガラス基板３との間には、隙間が形成されている。そして、固定部４は、例えばＸ軸方向の一側に配置されている。また、固定部４には、後述の支持梁６を介して可動部５が連結されている。

可動部５は、固定部４よりもＸ軸方向の他側に位置して凹陥部２Ｃ，３Ａと対向した位置に配置され、厚さ方向（Ｚ軸方向）に変位可能な状態となっている。ここで、可動部５は、例えば四角形の平板状に形成されている。そして、可動部５と基底部２Ａおよびガラス基板３との間には、それぞれ隙間が形成されている。これにより、可動部５は、加速度による慣性力に応じて厚さ方向に変位する。

支持梁６は、可動部５と固定部４との間に例えば２本設けられ、可動部５を垂直方向に変位可能となるように片持ち状態で支持している。これらの支持梁６は、例えばクランク状に屈曲した折曲げ梁として形成され、基底部２Ａとガラス基板３との間に位置して水平方向に延びると共に、これらのシリコン基板２およびガラス基板３から垂直方向（厚さ方向）に離間している。

また、各支持梁６は、基端側が固定部４に連結され、先端側が可動部５に連結されている。そして、支持梁６は、可動部５が基底部２Ａまたはガラス基板３に向けて変位するときに、垂直方向に撓み変形または捩れ変形するものである。

可動側引出電極７は、例えば基底部２Ａのうち固定部４と対応した位置に配置され、固定部４および支持梁６を通じて可動部５に電気的に接続されている。そして、可動側引出電極７は、例えばレーザー加工やマイクロブラスト法を用いることによってシリコン基板２に厚さ方向に貫通した信号用のビアホール（スルーホール）を穿設し、このスルーホール内に銅（Cu）等の導電性金属材料を充填することによって形成されている。

固定電極８は、可動部５と対向する位置で基底部２Ａの表面側に設けられている。この固定電極８は、凹陥部２Ｃの底面に位置して例えば導電性の金属薄膜によって形成され、ほぼ全面に亘って可動部５と対面している。また、固定電極８は、可動部５との接触を防止するために、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等からなる絶縁膜９によって覆われている。そして、固定電極８は、可動側引出電極７とほぼ同様に基底部２Ａに貫通して形成された固定側引出電極１０に接続されている。

ここで、引出電極７，１０は、外部の検出回路等に接続される。そして、検出回路は、引出電極７，１０間の静電容量に応じた信号を検出する。このとき、引出電極７，１０間の静電容量は、厚さ方向に対する可動部５の変位に応じて変化する。このため、検出回路は、引出電極７，１０間からの検出信号を用いて、加速度センサ１に作用する加速度を検出することができる。

第１の封止枠１１は、シリコン基板２の表層部２Ｂによって形成された第１の接合部を構成している。この第１の封止枠１１は、例えばシリコン基板２およびガラス基板３の周縁に沿って延びる四角形の枠状に形成されている。また、第１の封止枠１１は、可動部５、支持梁６等を取囲み、後述する第２の封止枠１３と一緒にシリコン基板２とガラス基板３との間に収容空間Ｓを保持している。そして、第１の封止枠１１は、陽極接合法によってガラス基板３に接合されている。このため、第１の封止枠１１とガラス基板３との間には、これらが接合した陽極接合部１２が形成されている。

第２の封止枠１３は、シリコン基板２の表層部２Ｂによって形成された第２の接合部を構成している。この第２の封止枠１３は、例えば第１の封止枠１１と同様に四角形の枠状に形成されている。また、第２の封止枠１３は、第１の封止枠１１よりも可動部５に近い内側位置に配置され、可動部５、支持梁６等を取囲むと共に、第１の封止枠１１との間に溝１４が形成されている。これにより、第１，第２の封止枠１１，１３は、収容空間Ｓを封止する二重枠を構成している。

そして、第２の封止枠１３の表面には、例えば金（Au）を含む合金または金等の導電性の金属材料からなる接合用金属としての接合膜１５が形成されている。同様に、ガラス基板３の接合面となる裏面にも、封止枠１３と対向した位置に接合膜１５と同様の接合用金属としての接合膜１６が形成されている。そして、これらの接合膜１５，１６は、シリコン基板２とガラス基板３とが密着するように加圧された状態で、熱圧着されている。これにより、第２の封止枠１３は、加圧接合法によってガラス基板３に接合され、第２の封止枠１３とガラス基板３との間には、接合膜１５，１６を介在させて加圧接合した加圧接合部１７が形成されている。

なお、接合膜１５と第２の封止枠１３との間、および接合膜１６とガラス基板３との間には、接合膜１５，１６の密着性を高めるために、例えばクロム（Cr）、プラチナ（Pr）等の密着層を設けるものである。

次に、図４ないし図１０を参照しつつ、加速度センサ１の製造方法について説明する。

まず、図４に示す固定電極形成工程では、高抵抗な単結晶シリコンからなるシリコン基板２１を用意し、このシリコン基板２１の表面のうち所定部位にエッチング加工を施すことによって、凹陥部２Ｃを形成する。また、シリコン基板２１には、レーザー加工、マイクロブラスト法等を用いてスルーホールを形成した後に、このスルーホール内に銅等の導電性金属材料を例えばメッキ処理によって充填し、可動側引出電極７および固定側引出電極１０を形成する。

そして、シリコン基板２１には、例えばスパッタ、蒸着法等を用いることによって、導電性の金属薄膜を形成する。これにより、シリコン基板２１の凹陥部２Ｃの底面には、可動部５と対応した位置に固定電極８を形成し、この固定電極８を固定側引出電極１０に電気的に接続する。その後、固定電極８の表面には、絶縁膜９を形成する。

次に、図５に示す犠牲層形成工程では、シリコン基板２１の凹陥部２Ｃに固定電極８等を覆って例えばチタン等の材料からなる犠牲層２２を形成する。その後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて、シリコン基板２１の表面を平坦な状態に研磨する。これにより、凹陥部２Ｃ内に犠牲層２２が埋め込まれると共に、犠牲層２２およびシリコン基板２２の表面には、平滑化された平坦面が形成される。

次に、図６に示すシリコン層形成工程では、例えばスパッタ等によって、シリコン基板２１の表面に低抵抗な多結晶シリコンからなるシリコン層２３を形成する。これにより、犠牲層２２の表面は、シリコン層２３によって覆われる。

次に、図７に示す機能素子部形成工程では、例えばＲＩＥ加工（反応性イオンエッチング）等の手段を用いて、シリコン層２３のうち不要な部位を除去し、残った部位によって固定部４、可動部５および支持梁６からなる機能素子部を形成すると共に、第１，第２の封止枠１１，１３を形成する。

このとき、固定部４は、凹陥部２Ｃとは異なる位置に配置され、シリコン基板２１に固定されている。一方、可動部５および支持梁６は、凹陥部２Ｃと対応した位置に配置される。

また、第１，第２の封止枠１１，１３は、凹陥部２Ｃを取囲んで、シリコン基板２１に固定されている。このとき、第２の封止枠１３は、第１の封止枠１１の内側に位置して、第１の封止枠１１と可動部５等との間に配置される。

さらに、第２の封止枠１３は、固定部４、可動部５、支持梁６と共に、第１の封止枠１１よりも薄く形成されている。具体的には、第２の封止枠１３の暑さ寸法は、例えば接合膜１５，１６の厚さ寸法に応じた分だけ、第１の封止枠１１の厚さ寸法よりも短くなっている。このため、第２の封止枠１３等の表面は、第１の封止枠１１の表面よりもシリコン基板２１側に位置して、これらの間には例えば１μｍ以下の僅かな段差が形成されている。そして、第１，第２の封止枠１１，１３は、凹陥部２Ｃの外側に位置して、四角形の二重枠形状をなして可動部５等の周囲を取囲んでいる。

また、ＲＩＥ加工の終了後には、例えば蒸着法、スパッタ法を用いて、第２の封止枠１３の表面に、例えば金等の導電性の金属薄膜を形成し、０．３〜０．７μｍ程度の厚さ寸法をもった接合膜１５を形成する。一方、第１の封止枠１１の表面は、シリコン材料が露出した状態に保持する。これにより、接合膜１５の表面と第１の封止枠１１の表面とは、例えば略同一面を形成するようになる。

次に、図８に示す犠牲層除去工程では、例えばウエットエッチング等によって犠牲層２２を除去する。これにより、基底部２Ａと表層部２Ｂとを備えたシリコン基板２が形成される。このとき、可動部５は、基底部２Ａとの間に隙間が形成され、基底部２Ａから浮いた状態になる。そして、可動部５は、支持梁６によって固定部４に片持ち支持されると共に、凹陥部２Ｃの底面に位置する固定電極８等と対面した状態になる。

一方、図９に示すガラス基板形成工程では、ガラス基板２４を用意し、このガラス基板２４の裏面側にエッチング加工等によって、凹陥部３Ａを形成する。また、ガラス基板２４に対して、例えばスパッタ、蒸着法等を用いることによって、凹陥部３Ａの周囲に位置して金等の導電性の金属薄膜を形成し、接合膜１５と同様の接合膜１６を形成する。このとき、接合膜１６は、ガラス基板２４の裏面のうち第２の封止枠１３と対応した位置に配置される。以上の工程によって、ガラス基板３が形成される。

次に、図１０に示すガラス基板接合工程では、シリコン基板２の表面にガラス基板３を重ね合わせた状態で、シリコン基板２とガラス基板３に電圧源２５を接続する。この状態で、例えば数百℃程度の予め決められた温度でシリコン基板２およびガラス基板３を加熱しつつ、電圧源２５を用いてシリコン基板２とガラス基板３との間に所定の電圧を印加する。これにより、第１の封止枠１１およびガラス基板３は、互いに陽極接合され、これらの間には陽極接合部１２が形成される。

また、この陽極接合時には、シリコン基板２とガラス基板３との間には静電力が作用し、シリコン基板２およびガラス基板３は、互いに強く引き付け合う。このため、接合膜１５，１６には、互いに密着した状態で大きな荷重が加わる。これにより、別途に荷重を加えなくても、陽極接合時の接着圧力によって、接合膜１５，１６が互いに圧着接合され、第２の封止枠１３とガラス基板３との間には加圧接合部１７が形成される。

この結果、シリコン基板２とガラス基板３との間には、図２に示すように、陽極接合部１２および加圧接合部１７によって二重に封止された気密状態の収容空間Ｓが画成されると共に、収容空間Ｓ内には可動部５が配置される。そして、可動部５は、厚さ方向に変位可能な状態でシリコン基板２の固定電極８と対向した位置に配置され、加速度センサ１が完成する。

本実施の形態による加速度センサ１は上述の製造方法によって製造されるもので、次にその作動について説明する。

まず、加速度センサ１に加速度が作用すると、可動部５は慣性力によってシリコン基板２の厚さ方向に変位する。このとき、可動部５と固定電極８との間の静電容量が増加または減少する。このため、外部の検出回路は、引出電極７，１０を用いて可動部５と固定電極８との間の静電容量に応じた信号を検出し、この信号を用いて加速度センサ１に作用する加速度を検出する。

かくして、本実施の形態によれば、シリコン基板２とガラス基板３との間には陽極接合部１２と加圧接合部１７とを設けたから、シリコン基板２とガラス基板３とを陽極接合部１２および加圧接合部１７によって強固に接合することができ、接合強度を高めることができる。

また、第１，第２の封止枠１１，１３はいずれも可動部５を取囲む枠形状に形成したから、２つの封止枠１１，１３によって二重に封止することができ、可動部５を収容する収容空間Ｓの気密性を高めることができる。

さらに、陽極接合を行うときには、シリコン基板２とガラス基板３とを相互に引き付ける大きな静電力が接着圧力として作用する。このため、この静電力を用いて第２の封止枠１３の接合膜１５とガラス基板３の接合膜１６とを密着させることができる。この結果、別途に加圧手段を用いることなく、これら２つの接合膜１５，１６を圧着することができ、単一の接合工程で加圧接合と陽極接合を同時に行うことができる。

また、加圧接合する第２の封止枠１３は、陽極接合する第１の封止枠１１よりも可動部５に近い位置に配置したから、陽極接合部１２からガラス基板３中のナトリウム（Na）が析出されたときでも、第２の封止枠１３を接合する加圧接合部１７によってナトリウムが可動部５の周囲に侵入するのを阻止することができる。これにより、可動部５、固定電極８等の劣化を防止して、加速度センサ１の信頼性、耐久性を向上することができる。

次に、図１１ないし図１９は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、シリコン基板の両面に第１，第２のガラス基板をそれぞれ設けた３層構造からなる加速度センサに適用したことにある。

図中、加速度センサ３１は、第１，第２のガラス基板３２，３３と、これらのガラス基板３２，３３に挟まれたシリコン基板３４とによって形成されている。ここで、ガラス基板３２，３３は、例えば絶縁性を有するガラス材料等からなり、数ミリ程度の大きさの四角形状に形成されている。

そして、ガラス基板３２，３３には、互いの対向面側に位置して略四角形に窪んだ凹陥部３２Ａ，３３Ａがそれぞれ形成されている。これにより、ガラス基板３２，３３の間には、凹陥部３２Ａ，３３Ａと対応した位置に後述の可動部３６を収容する収容空間Ｓが画成されている。また、ガラス基板３２，３３およびシリコン基板３４は、例えばＸ軸およびＹ軸に沿って水平方向に広がっている。

一方、シリコン基板３４は、例えば低抵抗な単結晶シリコンを用いて形成されている。そして、シリコン基板３４には、マイクロマシニング技術を用いて後述する固定部３５、可動部３６、支持梁３７および第１，第２の封止枠４５，４８が形成されている。ここで、固定部３５、可動部３６および支持梁３７は、加速度を検出する機能素子部を構成している。

固定部３５は、シリコン基板３４に形成され、第１のガラス基板３２に固定されている。この固定部３５は、例えばＸ軸方向の一側に配置されている。また、固定部３５には、後述の支持梁３７を介して可動部３６が連結されている。そして、固定部３５は、第２の封止枠４５と同様に、接合膜５０，５１を介して第１のガラス基板３２の表面に加圧接合されている。

可動部３６は、ガラス基板３２，３３の凹陥部３２Ａ，３３Ａと対向した位置に配置され、厚さ方向（Ｚ軸方向）に変位可能な状態となっている。ここで、可動部３６は、例えば四角形の平板状に形成されている。そして、可動部３６とガラス基板３２，３３との間には、それぞれ隙間が形成されている。これにより、可動部３６は、加速度による慣性力に応じて厚さ方向に変位する。

支持梁３７は、可動部３６と固定部３５との間に例えば２本設けられ、可動部３６を垂直方向に変位可能となるように片持ち状態で支持している。これらの支持梁３７は、例えばクランク状に屈曲した梁として形成され、ガラス基板３２，３３の間に位置して水平方向に延びると共に、これらのガラス基板３２，３３から垂直方向（厚さ方向）に離間している。

また、各支持梁３７は、基端側が固定部３５に連結され、先端側が可動部３６に連結されている。そして、支持梁３７は、可動部３６がガラス基板３２，３３に向けて変位するときに、垂直方向に撓み変形または捩れ変形するものである。

可動側引出電極３８は、例えば第１のガラス基板３２のうち固定部３５と対応した位置に配置され、固定部３５および支持梁３７を通じて可動部３６に電気的に接続されている。そして、可動側引出電極３８は、例えばレーザー加工やマイクロブラスト法を用いることによってガラス基板３２に厚さ方向に貫通した信号用のビアホール（スルーホール）を穿設し、このスルーホール内に銅等の導電性金属材料を充填することによって形成されている。

第１の固定電極３９は、可動部３６と対向する位置で第１のガラス基板３２の表面側に設けられている。この第１の固定電極３９は、凹陥部３２Ａの底面に位置して例えば導電性の金属薄膜によって形成され、ほぼ全面に亘って可動部３６と対面している。また、固定電極３９は、可動部３６との接触を防止するために、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等からなる絶縁膜４０によって覆われている。そして、固定電極３９は、可動側引出電極３８とほぼ同様に形成された第１の固定側引出電極４１に接続されている。

第２の固定電極４２は、厚さ方向に対して可動部３６を挟んで第１の固定電極３９とは反対側に配置され、可動部３６と対向する位置で第２のガラス基板３３の裏面側に設けられている。この第２の固定電極４２は、凹陥部３３Ａの底面に位置して例えば導電性の金属薄膜によって形成され、ほぼ全面に亘って可動部３６と対面している。また、固定電極４２は、絶縁膜４０とほぼ同様の絶縁膜４３によって覆われると共に、第２のガラス基板３３を貫通して設けられた第２の固定側引出電極４４に接続されている。

ここで、引出電極３８，４１，４４は、外部の検出回路等に接続される。そして、検出回路は、引出電極３８，４１間の静電容量と、引出電極３８，４４間の静電容量とに応じた信号を検出し、これら信号を差動演算する。この差動演算の出力は可動部３６の変位に応じて変化するから、検出回路は、この差動演算の出力を用いて、加速度センサ３１に作用する加速度を検出することができる。

第１の封止枠４５は、シリコン基板３４によって形成され、例えばガラス基板３２，３３の周縁に沿って延びる四角形の枠状に形成されている。この第１の封止枠４５は、可動部３６、支持梁３７等を取囲み、後述する第２の封止枠４８と一緒にガラス基板３２，３３の間に収容空間Ｓを保持している。そして、第１の封止枠４５は、陽極接合法によって第１，第２のガラス基板３２，３３に接合されている。これにより、第１の封止枠４５と第１のガラス基板３２との間には、裏面側の陽極接合部４６が形成されると共に、第１の封止枠４５と第２のガラス基板３３との間には、表面側の陽極接合部４７が形成されている。

第２の封止枠４８は、シリコン基板３４によって形成され、例えば第１の封止枠４５と同様に四角形の枠状に形成されている。この第２の封止枠４８は、第１の封止枠４５よりも可動部３６に近い内側位置に配置され、可動部３６、支持梁３７等を取囲むと共に、第１の封止枠４５との間に溝４９が形成されている。これにより、第１，第２の封止枠４５，４８は、収容空間Ｓを封止する二重枠を構成している。

そして、第２の封止枠４８および固定部３５の裏面には、例えば金を含む合金または金等の導電性の金属材料からなる接合用金属としての接合膜５０が形成されている。同様に、第１のガラス基板３２の接合面となる表面にも、第２の封止枠４８および固定部３５と対向した位置に接合膜５０と同様の接合用金属としての接合膜５１が形成されている。そして、これらの接合膜５０，５１は、シリコン基板３４と第１のガラス基板３２とが密着するように加圧された状態で、熱圧着されている。これにより、第２の封止枠４８および固定部３５は、加圧接合法によって第１のガラス基板３２に接合され、第２の封止枠４８および固定部３５と第１のガラス基板３２との間には、接合膜５０，５１を介在させて加圧接合した裏面側の加圧接合部５２が形成されている。

また、第２の封止枠４８の表面にも、接合膜５０と同様な接合用金属としての接合膜５３が形成されている。さらに、第２のガラス基板３３の接合面となる裏面にも、第２の封止枠４８と対向した位置に接合膜５３と同様の接合用金属としての接合膜５４が形成されている。そして、これらの接合膜５３，５４は、シリコン基板３４と第２のガラス基板３３とが密着するように加圧された状態で、熱圧着されている。これにより、第２の封止枠４８は、加圧接合法によって第２のガラス基板３３に接合され、第２の封止枠４８と第２のガラス基板３３との間には、接合膜５３，５４を介在させて加圧接合した表面側の加圧接合部５５が形成されている。

なお、接合膜５０，５３と第２の封止枠４８との間、接合膜５１と第１のガラス基板３３との間、および接合膜５４と第２のガラス基板３３との間には、接合膜５０，５１，５３，５４の密着性を高めるために、例えばクロム、プラチナ等の密着層を設けるものである。

次に、図１３ないし図１８を参照しつつ、加速度センサ３１の製造方法について説明する。

まず、図１３に示す第１のガラス基板形成工程では、絶縁性のガラス基板６１を用意し、このガラス基板６１の表面のうち所定部位にエッチング加工を施すことによって、凹陥部３２Ａを形成する。また、ガラス基板６１には、レーザー加工、マイクロブラスト法等を用いてスルーホールを形成した後に、このスルーホール内に銅等の導電性金属材料を例えばメッキ処理によって充填し、可動側引出電極３８および第１の固定側引出電極４１を形成する。

そして、ガラス基板６１には、例えばスパッタ、蒸着法等を用いることによって、導電性の金属薄膜を形成する。これにより、ガラス基板６１の凹陥部３２Ａの底面には、可動部３６と対応した位置に第１の固定電極３９を形成し、この第１の固定電極３９を第１の固定側引出電極４１に電気的に接続する。その後、第１の固定電極３９の表面には、絶縁膜４０を形成する。

また、ガラス基板６１の表面には、固定部３５および第２の封止枠４８と対応した位置に例えば金等の導電性の金属薄膜を形成し、０．３〜０．７μｍ程度の厚さ寸法をもった接合膜５１を形成する。以上の工程によって、第１の固定電極３９等を備えた第１のガラス基板３２が形成される。

一方、図１４に示すシリコン基板形成工程では、例えば低抵抗な単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板６２を用意する。そして、シリコン基板６２の裏面にエッチング加工等を施し、第１の封止枠４５に対応した周縁部６２Ａを除いて深さ寸法の小さい（例えば１μｍ以下程度）浅底凹部６２Ｂを形成する。そして、この浅底凹部６２Ｂには、接合膜５１と対応した位置に接合膜５１と同様の金属薄膜からなる接合膜５０を形成する。

次に、図１５に示す第１のガラス基板接合工程では、第１のガラス基板３２の表面にシリコン基板６２を重ね合わせた状態で、第１のガラス基板３２とシリコン基板６２に電圧源６３を接続する。この状態で、例えば数百℃程度の予め決められた温度で第１のガラス基板３２およびシリコン基板６２を加熱しつつ、電圧源６３を用いて第１のガラス基板３２とシリコン基板６２に所定の電圧を印加する。これにより、シリコン基板６２の周縁部６２Ａと第１のガラス基板３２は、互いに陽極接合され、これらの間には裏面側の陽極接合部４６が形成される（図１２参照）。

また、この陽極接合時には、シリコン基板６２と第１のガラス基板３２との間には静電力が作用し、シリコン基板６２および第１のガラス基板３２は、互いに強く引き付け合う。このため、接合膜５０，５１には、互いに密着した状態で大きな荷重が加わる。これにより、別途に荷重を加えなくても、陽極接合時の接着圧力によって、接合膜５０，５１が互いに圧着接合され、周縁部６２Ａと第２のガラス基板３２との間には裏面側の加圧接合部５２が形成される。

このとき、ガラス基板３２の凹陥部３２Ａは、シリコン基板６２によって閉塞される。また、シリコン基板６２は、加圧接合部５２を介して第１のガラス基板３２の可動側引出電極３８に電気的に接続される。そして、第１のガラス基板３２にシリコン基板６２を接合した後には、例えばＣＭＰ法を用いて、シリコン基板６２の表面を平坦な状態に研磨する。

次に、図１６に示す機能素子部形成工程では、例えばＲＩＥ加工等の手段を用いて、シリコン基板２３のうち不要な部位を除去し、残った部位によって固定部３５、可動部３６および支持梁３７からなる機能素子部を形成すると共に、第１，第２の封止枠４５，４８を形成する。

このとき、固定部３５は、凹陥部３２Ａとは異なる位置に配置され、第１のガラス基板３２に固定されている。一方、可動部３６および支持梁３７は、凹陥部３２Ａと対応した位置に配置され、第１のガラス基板３２との間に隙間が形成されている。これにより、可動部３６は、第１の固定電極３９と対向した位置で支持梁３７によって固定部３５に片持ち支持される。

また、第１，第２の封止枠４５，４８は、凹陥部３２Ａを取囲んで、第１のガラス基板３２に固定されている。このとき、第２の封止枠４８は、第１の封止枠４５の内側に位置して、第１の封止枠４５と可動部３６等との間に配置される。また、第２の封止枠４８の厚さ寸法は、例えば接合膜５３，５４の厚さ寸法に応じた分だけ、第１の封止枠４５の厚さ寸法よりも短くなっている。このため、第２の封止枠４８の表面は、第１の封止枠４５の表面よりも第１のガラス基板３２側に位置して、これらの間には例えば１μｍ以下の僅かな段差が形成されている。

そして、第１，第２の封止枠４５，４８は、凹陥部３２Ａの外側に位置して、四角形の二重枠形状をなして可動部３６等の周囲を取囲んでいる。これにより、固定部３５、可動部３６、支持梁３７および第１，第２の封止枠４５，４８を備えたシリコン基板３４が形成される。

また、ＲＩＥ加工の終了後には、例えば蒸着法、スパッタ法を用いて、第２の封止枠４８の表面に、例えば金等の導電性の金属薄膜を形成し、０．３〜０．７μｍ程度の厚さ寸法をもった接合膜５３を形成する。一方、第１の封止枠４５の表面は、シリコン材料が露出した状態に保持する。これにより、接合膜５３の表面と第１の封止枠４５の表面とは、例えば略同一面を形成するようになる。

一方、図１７に示す第２のガラス基板形成工程では、ガラス基板６４を用意し、このガラス基板６４の裏面側にエッチング加工等によって、凹陥部３３Ａを形成する。また、ガラス基板６４には、厚さ方向に貫通したスルーホール等からなる第２の固定側引出電極４４を形成する。さらに、第１のガラス基板形成工程とほぼ同様に、ガラス基板６４の裏面には、凹陥部３３Ａの内部に位置して、第２の固定電極４２および絶縁膜４３を形成する。このとき、第２の固定電極４２は、第２の固定側引出電極４４に接続される。

また、ガラス基板６４に対して、例えばスパッタ、蒸着法等を用いることによって、凹陥部３３Ａの周囲に位置して金等の導電性の金属薄膜を形成し、接合膜５３と同様の接合膜５４を形成する。このとき、接合膜５４は、ガラス基板６４の裏面のうち第２の封止枠４８と対応した位置に配置される。以上の工程によって、第２の固定電極４２等を備えた第２のガラス基板３３が形成される。

次に、図１８に示す第２のガラス基板接合工程では、シリコン基板３４の表面に第２のガラス基板３３を重ね合わせた状態で、シリコン基板３４と第２のガラス基板３３に電圧源６３を接続する。この状態で、第１のガラス基板接合工程と同様に、第２のガラス基板３３、シリコン基板３４等を加熱しつつ、電圧源６３を用いて第２のガラス基板３３とシリコン基板３４に所定の電圧を印加する。これにより、第１の封止枠４５および第２のガラス基板３３は、互いに陽極接合され、これらの間には表面側の陽極接合部４７が形成される。

また、この陽極接合時には、第２のガラス基板３３とシリコン基板３４との間には静電力が接着圧力として作用する。このため、陽極接合時の接着圧力によって、接合膜５３，５４が互いに圧着接合されるから、第２の封止枠４８と第２のガラス基板３３との間には表面側の加圧接合部５５が形成される。

この結果、第１，第２のガラス基板３２，３３間には、図１２に示すように、陽極接合部４６，４７および加圧接合部５２，５５によって二重に封止された気密状態の収容空間Ｓが画成されると共に、収容空間Ｓ内には可動部３６が配置される。そして、可動部３６は、厚さ方向に変位可能な状態でガラス基板３２，３３の固定電極３９，４２と対向した位置に配置され、加速度センサ３１が完成する。

本実施の形態による加速度センサ３１は上述の製造方法によって製造されるもので、次にその作動について説明する。

まず、加速度センサ３１に加速度が作用すると、可動部３６は慣性力によってガラス基板３２，３３の厚さ方向に変位する。このとき、可動部３６と第１，第２の固定電極３９，４２との間の静電容量が増加または減少する。また、可動部３６と第１の固定電極３９との間の静電容量と、可動部３６と第２の固定電極４２との間の静電容量とは、増加と減少が互いに逆になる。このため、外部の検出回路は、引出電極３８，４１を用いて可動部３６と第１の固定電極３９との間の静電容量に応じた信号を検出すると共に、引出電極３８，４４を用いて可動部３６と第２の固定電極４２との間の静電容量に応じた信号を検出する。そして、これら２つの信号を差動演算することによって、加速度センサ３１に作用する加速度を検出する。

かくして、本実施の形態によれば、シリコン基板３４と第１のガラス基板３２との間には陽極接合部４６と加圧接合部５２とを設けると共に、シリコン基板３４と第２のガラス基板３３との間には陽極接合部４７と加圧接合部５５とを設けたから、シリコン基板３４と第１，第２のガラス基板３３とを陽極接合部４６，４７および加圧接合部５２，５５によって強固に接合することができ、接合強度を高めることができる。

また、第１，第２の封止枠４５，４８はいずれも可動部３６を取囲む枠形状に形成したから、２つの封止枠４５，４８によって二重に封止することができ、可動部３６を収容する収容空間Ｓの気密性を高めることができる。

さらに、陽極接合を行うときには、シリコン基板３４と第１，第２のガラス基板３２，３３とを相互に引き付ける大きな静電力が接着圧力として作用する。このため、この静電力を用いて第２の封止枠４８の接合膜５０，５３とガラス基板３２，３３の接合膜５１，５４とを密着させることができる。この結果、別途に加圧手段を用いることなく、互いに対面する接合膜５０，５３と接合膜５１，５４とを圧着することができ、単一の接合工程で加圧接合と陽極接合を同時に行うことができる。

また、加圧接合する第２の封止枠４８は陽極接合する第１の封止枠４５よりも可動部３６に近い位置に配置したから、陽極接合部４６，４７からガラス基板３２，３３中のナトリウムが析出されたときでも、第２の封止枠４８を接合する加圧接合部５２，５５によってナトリウムが可動部３６の周囲に侵入するのを阻止することができる。これにより、可動部３６、固定電極３９，４２等の劣化を防止して、加速度センサ３１の信頼性、耐久性を向上することができる。

なお、前記各実施の形態では、第１の接合部となる第１の封止枠１１，４５と第２の接合部となる第２の封止枠１３，４８の間には溝１４，４９を形成する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１９に示す変形例による加速度センサ７１のように、第１，第２の接合部を一体化した幅寸法の大きな単一の封止枠７２を形成し、該封止枠７２の外周側に陽極接合部１２を設けると共に、封止枠７２の内周側に接合膜１５，１６からなる加圧接合部１７を設ける構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、第１の封止枠１１，４５および第２の封止枠１３，４８はいずれも全周に亘って連続した枠形状に形成したが、例えば第１，第２の封止枠のうちいずれか一方のみを全周に亘って連続した枠形状に形成し、他方は全周のうち一部が切断された形状に形成してもよい。

また、前記各実施の形態では、加圧接合部１７，５２，５５は、シリコン材料からなる第２の封止枠１３，４８に設けた接合膜１５，５０，５３とガラス基板３，３２，３３に設けた接合膜１６，５１，５４とを加圧接合することによって形成したが、第２の封止枠全体を加圧接合が可能な金属材料（例えば金）によって形成し、該第２の封止枠自体にガラス基板に設けた接合膜を加圧接合する構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、ガラス基板３，３２，３３の接合対象として全体がシリコン材料によって形成されたシリコン基板４，３４を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、陽極接合ができるように、ガラス基板との接合面がシリコンによって形成された基板であればよく、シリコン基板として例えば２つのシリコン層の間に絶縁層を挟んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる構成としてもよい。

また、前記第１の実施の形態では、シリコン基板２にのみ固定電極８を設ける構成としたが、第２の実施の形態と同様に、ガラス基板にも固定電極を設ける構成としてもよく、ガラス基板にのみ固定電極を設ける構成としてもよい。一方、第２の実施の形態でも、第１，第２のガラス基板３２，３３のうちいずれか一方にのみ固定電極を設ける構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、機能素子部は、可動部５，３６等によって構成したが、必ずしも機械的に可動する部分を備える必要はなく、例えばシリコン基板にエッチング加工を施して形成する各種の回路素子によって構成してもよい。さらに、機能素子部には、金属薄膜等による可動電極、配線等を設ける構成としてもよく、例えばＳＡＷフィルタに適用する場合には、機能素子部の表面に圧電膜等を形成してもよい。

また、前記各実施の形態では、機能素子として、加速度センサ１，３１，７１を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばアクチュエータ、リレー素子、角速度センサ、可変容量素子、ＳＡＷフィルタ等のようにガラス基板を用いて封止可能な各種の素子に対して広く適用することができる。

１，３１，７１加速度センサ（機能素子）
２，３４シリコン基板
３ガラス基板
４，３５固定部
５，３６可動部
６，３７支持梁
１１，４５第１の封止枠（第１の接合部）
１２加圧接合部
１３，４８第２の封止枠（第２の接合部）
１５，１６，５０，５１，５３，５４接合膜（接合用金属）
１７加圧接合部
３２第１のガラス基板
３３第２のガラス基板
４６裏面側の陽極接合部
４７表面側の陽極接合部
５２裏面側の加圧接合部
５５表面側の加圧接合部
７２封止枠（第１，第２の接合部）

Claims

機能素子部と、第１の接合部と、第２の接合部とを有してなるシリコン基板と、
該シリコン基板の表面に対向して設けられたガラス基板とを備え、
該ガラス基板と前記シリコン基板とによって前記機能素子部を封止した機能素子であって、
前記第１の接合部と前記ガラス基板とを陽極接合した陽極接合部と、
該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部と前記ガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した加圧接合部とを設けたことを特徴とする機能素子。
機能素子部と、第１の接合部と、第２の接合部とを有してなるシリコン基板と、
該シリコン基板の裏面および表面にそれぞれ対向して設けられた第１，第２のガラス基板とを備え、
該第１，第２のガラス基板と前記シリコン基板とによって前記機能素子部を封止した機能素子であって、
前記第１の接合部の裏面と前記第１のガラス基板とを陽極接合した裏面側の陽極接合部と、
該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部の裏面と前記第１のガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した裏面側の加圧接合部と、
前記第１の接合部の表面と前記第２のガラス基板とを陽極接合した表面側の陽極接合部と、
該陽極接合時に発生する静電力を用いて、前記第２の接合部の表面と前記第２のガラス基板との間に接合用金属を介在させて加圧接合した表面側の加圧接合部とを設けたことを特徴とする機能素子。
前記第１，第２の接合部は、前記機能素子部を取囲む枠形状に形成すると共に、前記第２の接合部を第１の接合部よりも前記機能素子部に近い位置に配置してなる請求項１または２に記載の機能素子。